陰極電泳中的陽極系統

汽車涂裝技術：陰極電泳中的陽極系統
摘要：介紹了轎車陰極電泳中陽極系統的組成及其設計選型的原則。詳細分析了陽極管的選材、構造、性能及其維護保養技術，闡述了常見典型問題的解決措施。
關鍵詞：陰極電泳；陽極；陽極管；殺菌
0 前言
陰極電泳是轎車車身制造普遍采用的涂裝工藝，它是提高車身使用壽命(耐腐蝕性)的主要手段。在陰極電泳中，所采用的電泳涂料是陽離子型(帶正電荷)的樹脂和顏料漿，被涂物(車身)作為陰極。在陰極上的最初反應是水電解形成氫氣和氫氧根離子(OH-)，這一反應致使陰極表面產生高堿性界面層，使帶正電荷的粒子在陰極上凝集，陽離子(樹脂和顏料)與氫氧根離子(OH-)反應產生涂膜沉積。
在陽極區不斷產生有機酸：
這些酸如不及時除去，就會進入槽液使pH值下降，影響工藝參數的穩定，影響泳透力及涂膜性能，再溶解性增大。除去槽液中游離酸的辦法有兩種：添加未中和或部分中和的陰極電泳涂料和采用陽極隔膜系統。一般常用陽極隔膜系統法，尤其是在大型陰極電泳涂裝線上。
1 陽極系統的組成
陽極系統包含陽極液系統和陽極電源兩部分，陽極液系統是陽極系統的主要組成部分，它由陽極隔膜系統、極液往返循環管路、泵、極液槽、電導率和混濁度控制儀、去離子水供給管路等組成。
1.1 陽極液系統
陽極隔膜系統是將陽極封閉在可沖洗的陽極罩上，極罩由不導電材料制成，敞開面(板式電極罩朝向被涂物的一面。管式電極四周都可算作敞開面)裝有離子選擇性隔膜。陽極有板式、管式、弧形陽極等形式，其中管式陽極目前應用最為普遍，下面著重介紹：
管式陽極單元由陽極罩(含離子交換膜)和陽極兩部分構成，是過去板式陽極的替代產品。其結構緊湊，膜電阻小，耗電量低，泳透力高，單位膜面積大，使用壽命長，方便檢修和管理。由于其體積小，重量輕，可安裝于電泳槽的側面、底部或上部，以滿足不同涂裝工藝的要求。陽極電極材料一般采用316L不銹鋼，厚度最好不小于3．2mm，在正常情況下，陽極緩慢溶解，其壽命取決于通過電泳槽的生產率。
不銹鋼陽極依靠鈍化狀態工作，但是不銹鋼的活化溶解和鈍化膜的形成受脈沖電流影響很大，實際生產中很難控制。陽極的概率壽命可達到若干年，為延長陽極的使用壽命，可選用氧化釕或鈦基氧化物的電極。
試驗表明：涂覆有氧化釘成分的陽極其壽命是不銹鋼陽極的數倍，但初期投資也比不銹鋼要多。由于氯含量對不銹鋼陽極腐蝕非常明顯，而氯含量多少對Ti基氧化物陽極毫無影響，因此也可選用鈦基氧化物電極，Ti基氧化物陽極對電泳涂裝現場的電流脈沖是完全允許的，是該陽極的工作電流范圍。Ti基氧化物涂層陽極為尺寸穩定陽極，工作過程中只有少量活性涂層損失，Ti基體在生產中始終處于無損耗狀態。陽極失活后，
只需要重新涂活性層，Ti基體可以反復使用，可節省一定的資金。Ti基氧化物涂層陽極使用壽命長，用該陽極代替不銹鋼陽極，可以避免陽極的頻繁更換，有利于穩定正常生產，簡化管理。
陽極面積：在陰極電泳涂裝場合，陰極和陽極的面積之比為4：1，以汽車車身涂裝線為例，陽極表面是指與通過工件相鄰的被浸入陰極部分，陽極面積計算公式如下：
陽極面積=(車身數／min×2min×表面積／車身)／4，全浸沒時間超過2min的場合不要求加大陽極面積。
陽極罩的支撐體材料是塑料，最常用的如未增塑的聚氯乙烯(UPVC)，陽極隔膜是陰離子交換膜，陽極隔膜性能技術參數見表1。
另外，陽極液循環系統設計時要為每個極罩配一個安培計，以便連續觀察各極罩的運行情況，極罩狀況及操作數據隨時可得，在各個極罩上連接的分流器或直流變壓器可很好地監視每個極罩。陽極液循環管路必須用能耐pH值為2～5有機酸的不銹鋼管或塑料管制成。陽極液的循環量為每平方米有效極面積(6～10)L／min，不斷沖洗陽極，帶走有機酸等陰離子。每個陽極罩的進液管上要裝一個流量計，以監視陽極液流量。如果陽極液返回管為塑料管，應考慮陽極液接地措施(防止接觸陽極液時有電擊)。
陽極液系統要能夠控制陽極液電導率在設定點的70～100μS／cm內?？刂破骷皟x器量程應為0～2000μS／cm，高泳透力產品要求量程為0～10000μS／cm，陽極液槽的電導率傳感器要裝在遠離陽極液返回管的位置，陽極液槽用“無極”(electrodless)電導率傳感器(如：Foxboro871BCbodycodeBV)時工作性能較好。
去離子水：去離子水的質量對電泳槽槽液的穩定性至關重要，除電導率、雜質離子等理化指標外，細菌數也是一個非常重要的指標，一般在進入系統的去離子水管路上裝有紫外燈殺滅細菌，盡管如此，仍然要在電泳實驗室中檢測去離子水系統的菌落數，當菌落數超過電泳漆供應商的產品要求時，要向電泳漆供應商或殺菌劑生產廠家(如Betz或Nalco)咨洵，處理去離子水系統，使其能與電泳漆的穩定性相適應。
1．2 陽極電源
陽極電源是將交流電源轉換為直流電，直流整流器應能使電壓在0～500V之間可調，實踐經驗表明：厚膜電泳漆(uni—prime)電流消耗大約為0．22A·h／m2系統設計要考慮50％的電流余量以供將來發展，可用下式計算泳涂一臺車所需的總電流：
所需總電流(A)-0.22A·h／m2×S×60min／h
式中：s為每分鐘能涂的面積。
考慮安全系數，這個安培數乘以1．5來求出放大的規格，把總流量分成兩部分，每一部分單獨配整流器，設計要考慮配有專用及獨立啟動的備用整流器，以確保整流器發生故障時生產也能連續進行且質量不降低。建議采用限流整流器以保護設備。整流器“供電平穩”度或輸出脈動率很重要，直流電要經濾波，電壓脈動波動幅度不能超過平均直流電壓的5％，滿負荷情況下，電壓脈動率要小于5％。
2 陽極系統的安裝維護
在電泳槽投槽之前，必須安裝好陽極系統，除設備(整流電源、循環管路、陽極槽及控制儀表)完好外，安
裝陽極是一件非常重要的工作，在安裝前，所有陽極罩都要作滲漏試驗，在投槽時，極罩中必須裝有去離子水，以防隔膜破裂，極罩滲漏或損壞時應立即更換。
陽極應沿槽壁布置，浸入槽液中的深度不得小于槽垂直壁槽液深度的40％。
在全浸泳涂時間超過或等于3min場合，陽極的排布要從出槽口向前排，一般在人槽端靠近入槽車身部位不布置陽極。在泳涂汽車車身面積較大的被涂物場合，可在底部和頂部也布設陽極，這樣可使電泳涂層厚度更加均勻。建議2個電極段之間至少有1個極罩的間隙，以防止漆在電壓較低區的陽極和極罩上沉積，如果兩個極罩之間的電壓差超過75伏，要留出2個極罩的間隙，電壓差超過100伏，要留出3個極罩的間隙，如果用二極管防止回流，1個極罩的間隙就已足夠。
陽極液循環系統要安設陽極液電導率的自動控制裝置，預先設置陽極液電導率為一定值，當偏差為100μS／cm時，系統會自動排放陽極液，加入新鮮去離子水，電導率傳感器要裝在陽極液槽中遠離陽極液返回管的位置，一般裝在進液管路上。
當陽極液pH值接近3、電導率明顯超過設定值時，說明陽極液中已含有大量的酸根離子和金屬離子，這些都會對形成良好的電泳漆膜產生不利影響，因此要及時充分排放陽極液(即陽極液置換)，大量排放陽極液時要考慮到排放對廢水處理的影響，高泳透力材料的獨特化學原則使陽極液電導率保持在4000～6000μS/cm之間。
陽極液必須清澈而透明，如果渾濁說明有槽液進入陽極液。當槽液進入陽極液，通電時會使陽極隔膜內表面涂上漆，使陰、陽極之間的流動受影響，從而影響涂層質量和生產效率，極液混濁度的測定可用目視法和混濁度測量儀。
當發現陽極液渾濁時，應立即停止極液泵，在可能的情況下，切斷直流電源，查出有漏洞的陽極罩，將其與系統隔斷，停產后檢修或迅速更新。
2．1 陽極的日常維護
小心維護陽極及陽極系統對電泳涂裝過程至關重要。陽極構成電路使電流暢通，而陽極液控制槽液的pH值，必須經常監視陽極的溶解情況以便及時換調有可能損壞的陽極。要經常檢查陽極系統，特別是陽極泥及細菌生長情況，當陽極槽液中出現類藻類生物粘液時，說明陽極系統內已滋生大量細菌，必須及時對陽極系統殺菌，否則會堵塞陽極液循環回路，甚至污染電泳槽，陽極液槽中的電導率測頭要定期清理，陽極液電導率要進行試驗室檢查以校準槽子的計量儀表，不是所有的不銹鋼陽極材料都能同樣地防止陽極罩中酸性介質的腐蝕。
2．2 停產期間陽極系統維護
轎車涂裝線經常會停產檢修設備，停產期間陽極系統維護相對電泳槽而言較簡單，除斷開陽極直流電源外，應保證控制檢測系統正常運行。此外還應進行如下操作：
(1)排空陽極槽液，補人新鮮去離子水，循環至陽極槽內流體電導率小于100μS，停止補水，保．持陽極泵運行；
(2)恢復生產前，排空槽內液體，加入新鮮去離子水，用醋酸將電導率調到400μS以上即可。
3 陽極液系統殺菌
電泳漆陽極系統內殺菌除去生物粘液是對系統的特殊操作，施工人員必須熟悉系統、原材料性能、設備使用的安全要求，預備防護目鏡和橡膠手套，首先要將陽極液的進、回液管間短路連接，讓流體不通過陽極管，以避免殺菌劑對陽極造成損害。操作人員必須穿著全套的安全防護服(包括防護面具、防護手套、外套、圍裙、防護靴)，操作程序如下：
(1)仔細檢查系統是否泄漏和確保合適的密閉循環回路。不要試圖一次就清理完全，系統有可能因清理太多的生物粘液而導致回液管路堵塞。
(2)對附著在陽極槽及回液管路端口上的大面積粘液進行機械清理，以防止進、回液管的進一步堵塞。
(3)首先清洗陽極液儲存槽。再排干系統內的液體。
(4)用盡可能大的去離子水沖洗系統內的泵、管道、過濾器以除去明顯的生物粘液。
(5)在陽極槽內回液管口安裝100目的過濾網袋。
(6)將陽極與進回液管路隔離開，以使殺菌劑可以在系統內所有管路循環但不通過陽極。
(7)按4：1000的比例向陽極槽中加人35％H2O進行循環，循環時間持續6h以上或直至系統清潔為止，在循環過程中要注意過濾袋網是否堵塞并隨時更換。
(8)清洗完成后排干清洗液，加人新鮮去離子水循環(多次)至系統清潔為止。
(9)對于陽極管，應逐根拆下并用新鮮去離子水仔細清洗陽極管和極棒，沖洗干凈后在管中裝滿新鮮去離子水并立即安裝復原。
(10)將系統管路連接恢復，并加入新鮮去離子水循環。檢查系統內各單元是否堵塞，泄漏，并予以處理。
(11)系統殺菌后，初期生產的一段時期要加強陽極液的排放和置換，并加強生產現場的情況跟蹤。
4 結語
陽極系統是轎車陰極電泳設備的一個重要組成部分，必須科學設計選材，精心選型安裝，細致維護清理，才能發揮陽極系統的功能，為生產出良好的電泳防腐涂層提供保證。